由美國夏威夷大學馬諾阿分校的專家領導的一組研究人員發現了“宇宙學耦合”的第一個證據,只有當黑洞位於不斷演化的宇宙中時才可行。這些發現提供了對黑洞內部可能存在的東西的洞察力。物理學和天文學教授凱文克羅克指出,當激光乾涉儀引力波天文台(LIGO)在2015年底聽到第一對黑洞合併時,一切都改變了。該信號與預測非常吻合,但將這些預測擴展到數百萬年或數十億年?將黑洞模型與我們不斷膨脹的宇宙相匹配?完全不清楚如何做到這一點。在第一項研究中,該團隊確定了如何使用現有的黑洞測量來尋找宇宙學耦合。
科學家們知道星系是關鍵,因為它們可以擁有數十億年的壽命,而且大多數星系都包含一個超大質量黑洞。但是選擇合適的星系種類至關重要。該研究的合著者、西北研究協會的星系專家薩拉佩蒂表示,我們決定通過只關注被動演化的橢圓星系中的黑洞,可以幫助解決這個問題。科學家們聲稱,通過僅關注近期沒有活動的橢圓星系,其他已知過程無法輕易地改變星系的黑洞質量。然後科學家們使用這些種群來觀察其中心黑洞的質量在過去90億年中是如何變化的。科學家們發現他們觀察的時間越早,黑洞的質量相對於它們當前的質量就越小。
黑洞比90億年前大了7倍和20倍,這非常重要,以至於科學家們認為宇宙耦合可能太過負責任。換句話說,該研究發現這些黑洞在數十億年的時間裡以一種難以用標準星系和黑洞過程(例如合併或氣體吸積)來解釋的方式積累了質量。在第二項研究中,該團隊研究了宇宙耦合可能解釋第一項研究中觀察到的黑洞增長的可能性。克羅克認為,你可以把耦合的黑洞想象成橡皮筋,隨着宇宙的膨脹而拉伸。隨着它的伸展,它的能量會增加。愛因斯坦的E=mc2告訴質量和能量成正比,所以黑洞質量也會增加。
“質量增加多少取決於耦合強度,一個稱為k的變量。”由於宇宙學耦合導致的黑洞質量增長取決於宇宙的大小,而宇宙在過去較小,因此第一項研究中的黑洞質量必須減少正確數量才能使宇宙學耦合解釋起作用。結果表明這些黑洞的質量膨脹與黑洞的預測一致,黑洞不僅在宇宙學上耦合,而且還包含真空能量,真空能量是在不違反愛因斯坦方程和防止奇點的情況下通過儘可能多地壓縮物質產生的。研究人員研究了三組橢圓星系,每組代表五個不同黑洞種群的集合,來自宇宙大約是現在大小的二分之一和三分之一的時期。他們發現在每次比較中k大致為正3。
2019年數學教授喬爾韋納預測了具有真空能量而不是奇點的黑洞的這個值。克羅克和韋納已經證明如果k為3,那麼所有已知黑洞對宇宙暗能量密度的總貢獻幾乎是恆定的,正如暗能量測量所表明的那樣。該團隊使用了詹姆斯韋伯太空望遠鏡提供的最早恆星形成率的最新測量結果,發現這些數字是一致的。然後表明,我們宇宙中測得的暗能量與奇點不存在時,宇宙第一批恆星死亡時形成的黑洞的真空能量相吻合。天體物理學家鄧肯·法拉表示,典型的黑洞解決方案在很長的時間尺度不起作用,我們現在有了第一個提議的暗能量的來源。
雖然並不是說其他人沒有提出暗能量的來源,但這是第一篇沒有向宇宙添加任何新事物作為暗能量來源的觀察論文:愛因斯坦黑洞中的黑洞引力理論是暗能量。這些研究為物理學家和天文學家提供了一個進一步測試的框架,並為當前一代的暗能量實驗,如暗能量光譜儀和暗能量調查提供了一個框架,以闡明這個想法。法拉認為,如果得到證實,這將是一個了不起的結果,為下一代黑洞解決方案指明了方向。這項測量解釋了為何宇宙正在加速膨脹。
天體物理學家伊森·西格爾總結道:“非凡的主張需要非凡的證據。”反覆驗證結果的能力,是證據被認為是可靠的最重要的限定條件之一。換句話說,結果必須一次又一次地證明,使用不同的方法。因此,論文作者也承認,並希望反覆的觀察將證實他們這一非同尋常的觀點。